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碳纖維是如何制成的?
发布时间:2020-10-19 15:41 | 浏览次数:


雖然碳纖維的基本材料——由碳制成的纖維——聽起來很簡單,但是有無數的方法將這些相對簡單的纖維與其他産品結合起來,創造更強大,更硬,並且更輕的材料深受設計工程師的青睐現代高科技項目

碳纖維前驅體

碳纖維通常始于有機聚合物,稱爲前體。大約90%的時間,該前體是聚丙烯腈(PAN)。有時使用人造絲或石油瀝青代替。有機聚合物由碳原子結合的長鏈分子組成。前體的組成因制造商而略有不同,確切的組成通常是一個嚴密保護的商業秘密。

在制造過程中,可能會添加氣體,液體和其他材料,爲碳纖維中創建各種特性。有時會尋求特定的效果;在其他時候,目的是特定反應或防止特定反應。同樣,過程材料的精確組合通常是公司的秘密。

碳纖維制造工藝

一旦實現了正確的加工材料組合,就可以將前體拉成長條或纖維,然後在惰性氣體中在高溫下加熱(熱解)以實現碳化。碳化會排出大多數非碳原子,從而留下長且緊密編織的碳原子鏈,僅剩下少量的非碳材料。此過程通常包含五個步驟:

  1. 紡絲—將前體與其他材料混合,然後紡成纖維。然後將這些纖維洗滌並拉伸。

  2. 穩定化-碳纖維在碳化之前必須進行化學改變,以通過將其線性原子鍵更改爲梯形鍵來使其具有更高的熱穩定性。將纖維在空氣中加熱到200-300°C大約30分鍾到2小時。這種加熱過程迫使碳原子從空氣中吸收氧原子,並將分子重新排列成更熱穩定的鍵合模式。必須仔細控制此放熱過程,以防止纖維過熱。有多種用于穩定碳纖維的方法。

  3. 碳化-纖維熱穩定後,將其在無氧的情況下加熱至1,000-3,000°C保持幾分鍾。氧氣的缺乏阻止了纖維在如此高的熱量下燃燒。在此過程中,重要的是保持爐內的氣壓高于爐外的氣壓,並保持纖維的入口和出口密封,以防止氧氣進入爐內。在此高溫下,纖維排出其非碳原子,而其余的碳原子形成緊密結合的碳晶體。這些碳晶體平行于碳纖維的長軸排列。

  4. 表面處理-碳化過程使纖維具有光滑的表面,該表面不能與用于制造複合産品的環氧樹脂和其他材料很好地粘合。因此,表面被輕微氧化。氧化使表面具有更好的化學鍵合特性,同時還蝕刻了表面以使化學物質更好地粘附于表面。有時將纖維浸入二氧化碳,空氣或臭氧等氣體中,或將其浸入硝酸或次氯酸鈉等液體中進行氧化。其他時候,通過將帶正電的纖維浸入導電材料的浴中,通過電解來實現氧化。無論采用哪種表面處理方法,至關重要的是必須在專家的仔細監督下進行操作,以防止引入可能導致材料故障的表面缺陷。

  5. 上漿—一旦氧化,就將纖維包起來,以防止在纏繞到線軸上或機織成織物時損壞。塗覆過程被稱爲上漿,並且上漿材料經過仔細選擇以與用于形成複合結構的粘合劑相容塗層材料可能包括聚酯,尼龍,氨基甲酸酯或環氧樹脂。

碳纤维上漿后,将它们缠绕到线轴上,然后装入纺纱机中,然后捻成各种尺寸的纱线。然後可以將這些紗線編織成織物或形成複合材料。

 
 
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